Физико-химические основы литейных процессов

2.2. Смачиваемость формы расплавом

Смачивание жидким металлом формовочных материалов является сложным процессом, зависящим от состава поверхностных слоев металла и физико-химических явлений на границе раздела фаз.

Рассмотрим распределение сил поверхностного напряжения при смачивании жидкостью поверхности твердого тела на примере (рис. 3).

При соприкосновении жидкости 1 с поверхностью твердого тела 3 в точке А действуют силы поверхностного натяжения σ на трех поверхностях раздела (рис. 3): σ13 – между жидкостью 1 и стенкой 3; σ12 – между жидкостью 1 и газом 2; σ23 – между газом 2 и стенкой 3 [4, с. 215].

Рис. 3. Схема распределения сил поверхностного напряжения: 1 – жидкость; 2 – газ; 3 – смачиваемая поверхность тела А

Горизонтальное расположение линии σ12 характерно толь-

ко для случая, если σ23 = σ13 (см. рис. 3, а).

Подъем жидкости 1 на поверхности ее соприкосновения со стенкой 3 будет происходить, если σ23 > σ13.

Тогда поверхность жидкости в точке А соприкосновения со стенкой 3 примет форму вогнутого мениска (см. рис. 3, б).

21

Направление σ12 совпадает с касательной к поверхности жидкости в точке А; равновесие наступит при условии

σ23 = σ13 + σ12 cosφ.

В случае σ13 > σ23 жидкость в точке А опустится, и мениск окажется выпуклым (см. рис. 3, в).

Определить степень смачивания по уравнению

cos θ = (σт.г − σт.ж ) / σж.г

в настоящее время невозможно из-за отсутствия необходимых данных о межфазном натяжении на границе металл–форма и о поверхностной энергии формовочных материалов. Методы определения этих параметров пока не разработаны. Однако существуют простые и надежные способы экспериментального определения угла наклона θ капли расплава, лежащей на твердой горизонтальной пластинке. При этом одновременно имеется возможность получения необходимых данных для расчетов поверхностного натяжения жидкого металла в идентичных условиях по методу неподвижной капли.

Смачивание изменяется во времени по мере адсорбции по- верхностно-активных веществ, образования промежуточных химических соединений и других явлений, приводящих к снижению межфазного натяжения. Как и поверхностное натяжение расплава, степень смачиваемости существенно зависит от степени окисленности металла. Например, при увеличении содержания кислорода в расплаве армко-железа (ARMCO – сокращенное название американской фирмы; технически чистое железо, содержащее не менее 99,8 % Fe, высокопластичный устойчивый против коррозии материал) смачивание им кварцевого песка и хромистого железняка увеличивается. Однако даже при постоянном содержании кислорода происходит уменьшение краевого угла смачивания во времени за счет образования промежуточных химических соединений на границе раздела фаз и соответственного уменьшения межфазного натяжения σ т.ж.

22

В табл. 5 приведены значения θ при контакте углеродистой стали и высоколегированной хромоникелевой стали с различными формовочными материалами и смесями.

Проведенные эксперименты показывают, что смачиваемость расплавленными сталями наиболее распространенных формовочных материалов меньше нуля.

Необходимо также учитывать существенное влияние связующих материалов, проявляющееся, как правило, в увеличении краевого угла смачивания. Смачиваемость кварцевого песка, хромомагнезитовых и хромитовых смесей с жидким стеклом и органическими связующими хуже (больше угол θ), нежели формовочных песков. Следовательно, для начала проникновения расплава в поры формы необходимо некоторое внешнее давление, превышающее критическое.

2.3. Критическое давление проникновения

Критическое давление существенно зависит от условий его определения, так как условия, в которых проводили эксперимент, влияют на поверхностное натяжение расплава и степень смачиваемости. Известно несколько способов определения кри-

23

тического давления проникновения Рк в поры смеси. Наиболее простым является метод определения Рк с помощью моделирующей жидкости на специальной установке. Метод моделирования основан на определении Рк для жидкости с известным поверхностным натяжением σ , плотностью ρ и степенью смачиваемости cos θ с дальнейшим пересчетом на реальные сплавы, если известны σ и ρ последних. Обычно в качестве моделирующей жидкости используют ртуть. Для удобства критическое давление проникновения сплава заменили критической высотой отливки Нк, создающей это давление (имеется соответствующая математическая зависимость Нк = f (σ,ρ,cos θ) ).

В табл. 6 показано влияние размера зерен песка на критическую высоту отливок для уплотненной смеси. Видно, что Нк растет по мере уменьшения размеров зерен песка (и соответственно размеров пор). Дисперсность формовочных песков и степень смачиваемости является весьма эффективным средством регулирования критического давления.

Таблица 6

Влияние размера зерен песка на Нк

2.4. Взаимосвязь тепловых и капиллярных процессов

Выше были рассмотрены основные условия проникновения металла в поры литейной формы. Образование металлизированного пригара на отливках является результатом различ-

24

ных, но взаимосвязанных физических и физико-химических процессов и определяется многими свойствами формы и металла [5, с. 252]. При заданных составе, условиях заливки и расположении отливки в форме с точки зрения предотвращения образования пригара важна роль каждого из этих процессов. Дейст-

вительно, если образование пригара определяют тепловые условия взаимодействия отливки с формой, то необходимо обеспечивать максимально возможную скорость охлаждения расплава, исключающую его проникновение. Если же его образование определяют капиллярные свойства формы и металла, требуется обеспечить достаточное противодавление формы и предотвратить проникновение расплава.

Интенсивность отвода теплоты с поверхности отливки в большинстве случаев (особенно при заливке высоколегированных сталей) недостаточна для быстрого (мгновенного) образования твердой корки или образовавшаяся в первый момент корка вновь расплавляется за счет теплоты кристаллизации сплава.

Проникновение не может произойти сразу же после контакта металла с формой. Нормально раскисленный расплав Fe-C не смачивает большую часть формовочных материалов. Для начала проникновения необходимо создать давление металла, превышающее силы капиллярного противодавления. Заливка формы происходит с некоторой конечной скоростью, поэтому время достижения критического давления также является вполне определенным, зависящим от конфигурации отливки, расположения ее в форме, скорости заливки и т.п. Расчеты и опыты показывают, что в большинстве случаев, характерных для сложного и тяжелого литья, за время достижения критической высоты форма прогревается до температуры затвердевания на глубину большую, чем размер зерна песка. Следовательно, в этом случае тепловые условия для образования металлизированного пригара обеспечены. Величина металлизированного пригара на отливках высотой более критической будет зависеть не от металлостатического давления, а от глубины прогрева формы до температуры затвердевания за время заливки.

25

3. МЕХАНИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

3.1. Виды пригара

Как известно, пригар на отливках подразделяют на механический, химический и термический. Механическим прига-

ром обычно называют неметаллическую корку, прочно удерживающуюся на поверхности отливки и состоящую из зерен формовочного материала и металла, находящегося в межзеренном пространстве (порах). Название этого вида пригара представляется неудачным ряду авторов, так как внедрение металла в поры формы является не механическим процессом, а результатом сложного комплекса физико-химического взаимодействия расплава с литейной формой: смачивания, капиллярного взаимодействия и проникновения и т.п. Учитывая природу жидкости, цементирующей слой формовочной смеси, правильнее назвать этот вид пригара «металлическим» или «ме-

таллизированным». Химический пригар – слой смеси, сце-

ментированный окислами металла отливки или продуктами химического взаимодействия окислов с компонентами смеси и прочно соединенный с поверхностью отливки. Термический пригар возникает в результате расплавления или взаимодействия между собой компонентов смеси. Образо-

вавшаяся жидкая фаза прочно соединяет зерна песка между собой и с поверхностью отливки.

Обычно под механическим, или силовым, взаимодействием подразумевают взаимное влияние отливки и литейной формы на величину усадки, напряжений и возможность появления трещин в связи с той или иной податливостью формовочных материалов и т.д. Однако при этом рассматривают взаимодействие

26

литейной формы с уже затвердевшей (по крайней мере, с поверхности) отливкой, когда уже невозможно образование металлизированного пригара.

В то же время при заливке формы жидкий металл оказывает значительное термомеханическое воздействие на стенки литейной формы: в результате эрозионного воздействия потока металла может быть смыт поверхностный, самый прочный

иплотный слой формы, под действием статического давления жидкого металла поверхностный слой формы может в значительной степени деформироваться и т.д. Учитывая, что капиллярное противодавление литейных форм, изготовленных из смесей обычных среднезернистых песков – жидкостекольных, жидких и уплотняемых, песчано-глинистых, смоляных и других – недостаточно для предотвращения проникновения металла в поры и образования металлизированного пригара на довольно высоких отливках, применение противопригарных покрытий (красок, паст, облицовочных смесей) из мелкозернистых материалов в большинстве случаев является обязательным условием получения чистых отливок. В то же время противопригарное покрытие выполнит свои защитные функции только в том случае, если во время заливки формы и затвердевания отливки оно будет сплошным. Противопригарные покрытия также влияют на общую картину взаимодействия литейной формы

иметалла, так как по своей природе и свойствам, как правило, они резко отличаются от основной смеси. С точки зрения образования пригара или других поверхностных дефектов (засоров

иужимин) важно состояние поверхностного слоя формы к моменту контакта его с жидким металлом. Следовательно, эффективность действия противопригарного покрытия будет определяться многими факторами: исходными свойствами; изменением их в процессе изготовления формы; изменением их в процессе заливки до контакта с металлом. Поэтому необходимо прежде всего рассматривать условия формирования покрытий, измене-

27

ние их рабочих характеристик и определять круг тех видов взаимодействия формы с металлом, а также свойств смесей и красок, которые вдальнейшем будем называтьмеханическими.

3.2. Условия формирования покрытий

Рассмотрим процесс изготовления литейных форм или стержней. В зависимости от принятого технологического процесса нанесение противопригарных покрытий осуществляется по-разному. При использовании облицовочных смесей, например хромитовых или хромомагнезитовых при производстве стального литья, покрытие толщиной 15–50 мм накладывается на поверхность модели или стержневого ящика, уплотняется вместе с наполнительной смесью, вместе с ней сушится или подвергается различным способам химического отверждения. Как правило, облицовочные и наполнительные смеси приготовляются на одном и том же связующем материале (по крайней мере, к такому соответствию всегда надо стремиться). В результате сушки или химического отверждения различие в природе наполнителей смесей не может сказаться сколько-нибудь заметно на возникновение напряжений: и в наполнительной, и в облицовочной смеси возникают напряжения и формируются прочности, определяемые процессом отверждения связующего материала. В большинстве случаев облицовочный слой в форме, подготовленной к заливке металлом, прочно связан со слоем наполнительной смеси и напряжения в нем не возникают.

Совершенно иные условия наблюдаются при использовании красок и паст. Здесь нужно рассматривать два вида взаимодействия противопригарного покрытия с формой или стержнем. В первом случае форму (или стержень) изготавливают из смесей, например песчано-глинистой, требующих в дальнейшем тепловой сушки. Краску или пасту наносят на сырые формы и сушат затем вместе с ней. В большинстве случаев для таких

28

форм применяют водную краску или пасту. Процесс высушивания оказывает различное воздействие на смесь и противопригарное покрытие. И это различие вследствие относительно низких температур при сушке определяется не столько различием природы и свойств наполнителей формовочной смеси, красок, паст, сколько соотношением их твердой и жидкой составляющих. Если, например, в жидкостекольной смеси всего лишь 4–6 % воды, удаляемой при сушке, то в жидкостекольной краске её около 50 %. Следовательно, при сушке частицы противопригарного покрытия должны для обеспечения необходимой прочности сблизиться на большее расстояние, чем частицы смеси. В процессе сушки жидкостекольной формы (стержня), окрашенной жидкостекольной краской, в краске должны возникать растягивающие напряжения, величина которых будет определяться прежде всего деформацией смеси и краски при отверждении, их прочностью и эластичностью при температурах в интервале от

комнатной tком до tсуш.

Если краску наносят на форму или стержень, прочность которой или которого полностью сформировалась до нанесения слоя краски или пасты, например при СО2-процессе, высыхание слоя противопригарного покрытия происходит без одновременного высыхания формы (стержня). Очевидно, напряжения, возникающие в слое противопригарного покрытия, будут больше, чем при одновременном высыхании смеси и краски, так как не произойдет частичной компенсации этих напряжений за счет усадки смеси. Следовательно, можно ожидать, что в жидкостекольной краске, нанесенной на форму из смеси, продутой СО2, или из самотвердеющей смеси, растягивающие напряжения будут при прочих равных условиях больше, чем при сушке формы (стержня) со слоем противопригарного покрытия.

Возникающие в слое краски (пасты) напряжения могут быть причиной появления в нем трещин после сушки или выдержки на воздухе. Из практики известно, что это явление часто

29

наблюдается при использовании водных красок; как правило, дефекты в слое краски устраняют за счет второго (по-горячему) окрашивания после сушки.

Таким образом, форма поступает под заливку металлом всегда с некоторыми напряжениями в слое противопригарного покрытия. В процессе заливки под действием теплоты заливаемого металла в поверхностном слое вследствие перепада температуры возникают термические напряжения даже в форме, изготовленной из единой смеси. При наличии противопригарного покрытия, по природе и свойствам резко отличающегося от формовочной смеси, напряжения возникают и в изотермических условиях из-за разных коэффициентов термического расширения. В зависимости от направления термической деформации смеси и покрытия ранее образовавшиеся в поверхностном слое напряжения могут либо уменьшаться, либо увеличиваться. Если предварительные напряжения в покрытии растягивающие, а под воздействием нагрева форма расширяется, а слой покрытия усаживается или остается неизменным, то растягивающие напряжения увеличиваются.

В то же время если при какой-то температуре связующее противопригарного покрытия начнет размягчаться и его состояние перейдет из упругого в пластичное, то вследствие пластической деформации все напряжения в покрытии снимутся и независимо от поведения смеси при последующем нагреве уже не возникнут.

На поверхность формы после ее заливки действует прямое статическое давление жидкого металла. Если под действием этого давления слой смеси под покрытием начнет деформироваться, то будет прогибаться и слой покрытия, прочно связанный со смесью. При определенных значениях давления, деформации смеси, прочности и пластичности покрытия сплошность последнего может быть нарушена, и в образовавшиеся трещины начнет проникать жидкий металл. Такое же проникновение воз-

30